Jak dobrać elementy systemu drenowania? Jak ustalić głębokość drenowania, rozstaw drenów, ich spadki i średnice?
Projektowanie i dobór systemów drenowania są związane z optymalizacją stosunków wodnych w podłożu. W przypadku rolnictwa optymalizacja ta wynika z potrzeby maksymalizacji plonów i upraw. W przypadku budownictwa często zmuszeni jesteśmy do odwodnienia terenów przeznaczonych pod zabudowę i wiąże się to z koniecznością obniżenia zwierciadła wody gruntowej na czas budowy, prowadzenia robót fundamentowych w głębokich wykopach i osuszania obiektów budowlanych z użyciem drenaży opaskowych. Przyjmując prawidłowy proces projektowania drenowania i melioracji rolnych, uzyskuje się wiele korzyści:
- obniżenie poziomu wody gruntowej umożliwia głębsze zakorzenienie się roślin, a także zmianę upraw w sposób świadomy;
- po obniżeniu poziomu wody gruntowej w podłożu następuje dopływ powietrza do gleby i podglebia i tym samym rozwój bakterii z grupy tlenowców, rozkład nawozów, wietrzenie i przemianę składników gleby na związki bardziej przyswajalne przez rośliny;
- dzięki przyspieszeniu procesu ruchu wody gruntowej i dopływowi powietrza następuje łagodne utlenianie szkodliwych dla roślin związków żelaza;
- skutkiem wywołanej synergii między powietrzem, zjawiskami przemarzania, permanentnym przepływem wody następuje rozluźnienie zwięzłego podglebia;
- dzięki łatwiejszemu wsiąkaniu wody opadowej zmniejsza się spływ powierzchniowy i erozja gleb;
- zmienia się charakterystyka cieplna gleb, przez co drenowanie umożliwia wcześniejsze wiosenne uprawy i siewy, pozwalając roślinom osiągnąć silniejszy system korzeniowy i przetrwać okresy suszy;
- drenowanie umożliwia racjonalną gospodarkę rolną, zwłaszcza z udziałem maszyn, przez redukcję zajętości terenu o 15-20% w stosunku do rowów;
- drenowanie poprawiające warunki fizyczne gleb pozwala również na uruchomienie systematycznego działania nawożenia (naturalnego i sztucznego);
- zmniejszona zostaje rozpiętość między plonami najniższymi i przeciętnymi z wielolecia w latach nieurodzaju (lata mokre i zimne).
Wad drenowania praktycznie nie ma!
Fot. Najczęściej stosowane dreny PCV w osłonie z geowłókniny i włókna kokosowego
Elementy drenowania
System melioracji oparty na drenach składa się z sączków – rurociągów drenażowych o średnicy 5-7,5 cm, i zbieraczy o średnicy od 5 do 20 cm odbierających wodę doprowadzaną sączkiem i dalej odprowadzających ją do systemów rowów odpływowych i strumieni. Tworząc projekt drenowania, należy przede wszystkim zaplanować: układ rowów odpływowych, zbieraczy, ciągów drenaży, głębokość założenia, spadki, średnice rurociągów, rozstawy ciągów drenarskich i długości ciągów drenaży.
Rys. 1. Fragment projektu drenowania pola uprawnego
Polecamy też: Urządzenia wodno-melioracyjne i drenaże. Kompendium
Głębokość drenowania
Na wybór optymalnej głębokości drenowania ma wpływ wiele czynników:
- wymóg roślin uprawianych na danym obszarze lub potrzeba zdepresjonowania zwierciadła wody gruntowej dla potrzeb budowlanych,
- głębokość przemarzania gruntu w okresie zimowym,
- wodoprzepuszczalność gruntów podłoża,
- układ warstwicowy terenu.
Fot. stock.adobe / Frank
W zależności od upraw preferowanych na danym terenie należy tak zakładać drenowanie, aby otwory w drenach nie były zatykane najdrobniejszymi korzonkami. I tak mniejsze głębokości drenowania stosuje się dla roślin kłosowych i większe pod buraki i rzepak, sięgające korzeniami na ponad 1,5 m w głąb gruntu.
Należy jednak pamiętać, że na tym samym areale możemy mieć uprawiane rośliny kłosowe, motylkowe, okopowe i tym samym przyjmuje się pewną przeciętną głębokość uwzględniającą wymagania roślin, warunki klimatyczne, glebowe i gospodarcze.
Z wielu badań dotychczas przeprowadzonych i opracowanych licznych instrukcji wynika wspólna tendencja zmniejszania głębokości drenowania gleb bardzo zwięzłych.
Dla żyznych gleb średniozwięzłych zachowana została głębokość 1,1-1,3 m przy uwzględnieniu upraw buraków cukrowych i rzepaku. W tym przypadku szablonowe i nieprzemyślane zmniejszanie głębokości drenów implikuje zarastaniem otworów drenaży i kolejnymi częstymi naprawami.
Dla łąk nawadnianych głębokości drenowania ustala się w granicach 0,9-1,0 m, na nienawadnianyoh to 0,7-0,9 m. Dla pastwisk głębokość drenowania jest pośrednią między głębokością drenowania łąk i pól. Wszelkie areały pod uprawy chmielu i lucerny należy drenować na głębokości 1,4 m, a sady i uprawy winorośli na 1,5 m.
Tab. 1. Głębokości drenowania w funkcji części spławialnych w glebie
Drenowanie: rozstawy drenów
Wielkości rozstawy ciągów drenarskich wynikają z:
- przyjętej głębokości drenowania,
- wymaganego obniżenia poziomu zwierciadła wody gruntowej oraz
- kształtu krzywej depresji.
Rys. 2. Krzywa depresji między dwoma ciągami drenarskimi: a – zwierciadło wody gruntowej, b – obniżone zwierciadło wody gruntowej po zdepresjonowaniu
Odstępy między drenami (rozstawę) obliczamy, wychodząc z prawa Darcy’ego dla ustalonego ruchu wody w gruncie:
gdzie: H – wysokość maks. zdepresjonowanego zw.w.g. [m], k – współczynnik wodoprzepuszczalności gruntu [m/s], q – współczynnik odpływu.
Ze względu jednak na wiele problemów w ustalaniu poszczególnych wartości i precyzji pomiarów częściej stosuje się metody empiryczne oparte na badaniach wcześniej wykonanych na poletkach doświadczalnych dla różnych gruntów i przy zastosowaniu zmiennych rozstaw i głębokości drenowania.
Metody empiryczne związane są również z wieloma właściwościami fizykochemicznymi gruntów wpływającymi na ich wodoprzepuszczalność.
Przykładowe rozstawy drenów pokazuje tab. 2.
Tab. 2. Typowe rozstawy drenów [m]
Rys. 3. Wykres do wyznaczania rozstawy drenów
Drenowanie: spadki i średnice drenów
Warunkiem koniecznym dobrego i długotrwałego funkcjonowania drenowania jest możliwość samooczyszczania się drenów z osadzających się cząstek gruntowych wewnątrz przekroju drenu. Z wieloletnich doświadczeń wynika, że bezpieczną prędkością przepływu wewnątrz
drenu dla glin i iłów jest Vmin ≥ 0,20 m/s, a dla gruntów pylastych z możliwością tworzenia się kurzawek Vmin ≥ 0,35 m/s.
Tab. 3. Wielkości minimalnych spadów i prędkości przepływów wewnątrz drenów
Drenowanie: obliczanie średnic zbieraczy
Obliczanie średnio zbieraczy z reguły przeprowadzane jest z wykorzystaniem odpowiednich nomogramów. Do tego celu wykorzystuje się również tablice, np. z użyciem wzoru Kuttera. Sposób korzystania jest opisany każdorazowo przy nomogramach.
Nomogramy te można znaleźć, korzystając z encyklopedii zamieszczonej na stronie internetowej www.inzynieriasrodowiska.com.pl/encyklopedia pod hasłami: „Projekty wodno-melioracyjne” od 1 do 46.
Potrzebny przepływ oblicza się najczęściej ze wzoru:
Q = Fos · Wodp
gdzie: Fos – powierzchnia osuszana [ha], Wodp – współczynnik odpływu równy:
0,5 l/s/ha dla gruntów spoistych zwięzłych i średniozwięzłych i 0,6 l/s/ha dla gruntów piaszczystych.
Podane wartości dotyczą opadu rocznego 600 mm. W przypadku różnic w opadach wartości współczynników odpływu należy odpowiednio zwiększać na każde 50 mm ponad 600 mm:
- o 0,05 l/s/ha dla gruntów zwięzłych i
- o 0,07 l/s/ha dla gruntów piaszczystych.
Czytaj: Utrzymanie kanałów i rowów melioracyjnych
Drenowanie: długości sączków i zbieraczy
Ilość wody, którą może odprowadzić dren odsączający o średnicy 5 cm ze spadkiem najmniejszym z dopuszczalnych 4‰, oblicza się z odpowiednich wzorów i wynosi 0,220 l/s.
Natomiast powierzchnia osuszana przez taki sączek dla odpływu 0,6 l/s/ha wynosi odpowiednio:
0,220 : 0,60 = 0,366 ha, czyli 3660 m2
Największa teoretyczna długość I sączków o średnicy 5 cm dla przyjętego spadku i = 4‰, odpływu 0,60 l/s/ha i powierzchni osuszanej 3660 m2 wyniesie:
I = 3660/e
gdzie: e – rozstawa drenów [m].
Należy jednak pamiętać, że w praktyce nie powinno się przekraczać długości 200 m ciągów drenarskich. Dla uniknięcia zbyt głęboko instalowanych zbieraczy i nierównomiernego osuszania gruntów sączkami o zmiennej głębokości stosuje się w podobnych warunkach sączki krótsze, nieprzekraczające długości 100-120 mb.
Długości zbieraczy wynikają najczęściej z warstwicowego układu terenu oraz wydatku rurociągów o największych średnicach (15-20 cm). Zwykle są to długości od 1,0 do 1,2 km.
Tab. 4. Przykładowe wartości obliczeń
Drenowanie: projektowany układ drenów
Jak podano wcześniej, ustalenie potrzeby drenowania, jego zasięgu i typu z układem drenów wynika z wcześniejszych opracowań studialnych, ekspertyz i szczegółowych projektów opartych na mapach warstwicowych w skali od 1 : 5000 do 1 : 25000, dokładnym rozpoznaniu podłoża z sondowaniem i niwelacją.
Ustalone w wyniku wszystkich analiz przyczyny nadmiernego zawilgocenia gruntów w podłożu umożliwiają ustalenie potrzebnego typu drenowania (całkowitego, systematycznego, stopniowego lub częściowego).
Z analizy map sytuacyjno-wysokościowych i ukształtowania terenu będą też wynikały decyzje o sposobach drenowania i układach drenów.
Na rysunkach 4, 5, i 6 przedstawiono kilka układów drenowania w zależności od przyjętego projektu.
Rys. 4. Drenowanie podłużne
Rys. 5. Drenowanie poprzeczne
Rys. 6. Drenowanie w zakosy przy spadkach
terenu większych od 10‰
Projektowanie drenowania, dobór systemów. Podsumowanie
Podstawą wszelkich obliczeń hydraulicznych, przyjmowania układów warstw gruntów przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych oraz warunków wodoprzepuszczalności jest dokładne i zgodne z przepisami rozpoznanie podłoża.
Wszystkie przedstawione zasady projektowania wymagają przyjęcia odpowiednich wartości liczbowych. Pomijanie wielu czynników lub tzw. przyjmowanie potrzebnych wielkości wcześniej niezbadanych może implikować wiele niechcianych zjawisk i w sumie dyskredytować prace studialne, analizy i projekty melioracyjne.
Woda nie znosi żadnych pomyłek lub niedoróbek. Na pewno nie przymknie „oka” na nasz słabszy warsztat projektowy. Wszelkie nomogramy i materiały aplikacyjne wskazane w tym tekście na pewno ułatwią pracę projektantom i umożliwią racjonalne zaprojektowanie drenaży.
Piotr Jermołowicz – Inżynieria Środowiska, Szczecin
Sprawdź:
Woda wyzwaniem w planowaniu miast
